铝合金表面仿生超疏水及防冻粘特性研究

发布时间：2020-07-27 11:52

【摘要】：铝及其合金因其优良的物化性能广泛应用于工业生产和人们的日常生活中,然而,铝合金在恶劣气象环境中表面极易产生覆冰等问题,从而影响其正常功能的发挥,因此,如何提高铝及其合金防结冰能力具有重要的现实意义。结冰主要包括沉积结冰和过冷水滴结冰,假若过冷水滴或冰雪从开始就不能在低温的机体表面上粘附,那么它就无法与机体表面进行热传导,也无法自结晶成冰滴,更不能和周围的冰滴再结晶生长成冰块。如果能制造一种表面能低的不粘水滴(即超疏水)的铝合金表面是防冰最直观、直接和有效的途径。自然界中许多生物材料具备超疏水、低粘附、防冻粘等特性,可为工程部件常用材料铝合金主动防冰、提供重要的仿生学启示和技术新路径。本文基于生物超疏水、低粘附功能原理,运用多因素仿生耦合设计理念,开展铝合金材料表面高效、耐久超疏水防结冰仿生设计与制备,采用电火花线切割加工技术,在铝合金表面进行仿生几何纹理、数学分布关系、复合结构设计,不经任何化学修饰与处理,实现生物超疏水、低粘附、防冻粘功能在铝合金材料表面上的仿生高效再现,通过对制备的铝合金样件的表面微观形貌、化学成分、润湿性、防冻粘等性能进行系统研究,揭示其功能、结构、材料间的作用机理。通过对仿生模本超疏水特性及接触时间研究,结果表明,荷叶、苇叶、三叶草和美人蕉叶子都展现了优异的超疏水性能,但接触角、滚动角有一定差异;水滴在荷叶、苇叶和三叶草表面,都经历了接触、扩散、收缩、回弹过程,接触时间分别为12.7ms、14.7ms、17.3ms;水滴在美人蕉表面,只经历了接触、扩散、收缩过程,没有发生回弹,接触时间接近无穷大。荷叶、苇叶、三叶草和美人蕉的表面化学成分基本相似,其表面的微结构导致表面接触角、接触时间不同,由此得知,仿生模本表面微结构是影响表面疏水性及接触时间的重要因素。通过对仿生超疏水表面疏水特性进行研究,结果表明,采用电火花线切割技术制备的铝合金仿生表面展现出良好的超疏水性能,其接触角为150°~160°,滚动角度小于10°;仿生样件表面结构具有明显的分级结构,一级结构为微米级的阵列凸包结构,二级结构为纳米粒子(直径10nm-800nm),一级微米结构和二级纳米结构共同组成微纳复合结构,该微纳复合结构是样件呈现超疏水的主要原因。通过试验优化设计分析,表面微结构参数对接触角和接触时间影响主次顺序为:凸包高度H凸包间距S凸包边长L,疏水性最强的最优微结构组合为:L(180μm),S(250μm),H(200μm),接触时间最少的最优微结构组合为:L(180μm),S(300μm),H(400μm)。通过对仿生超疏水表面防冻粘特性研究,结果表明,水滴在仿生样件表面结冰呈球状,而在空白样件表面结冰呈铺展状态;经过结冰和除冰循环试验后,仿生样件表面的结冰行为仍与之前完全相同,样件表面微结构未被破坏,表现出了良好的疏水稳定性。对于防冻粘表面而言,水滴在其表面结冰的时间越延迟越好,表面微结构和水滴体积是影响水滴结冰时间的主要因素;制备的仿生超疏水样件表面不仅能大幅度降低冰与基板的粘附强度,还能减少覆冰的集聚,具有良好的防冻粘能力。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

超疏水,功能特性,植物叶片,固体表面

(a) (b)(c)芋头叶表面 (d)(e)(f) 美人蕉叶表面 (g)(h)(i) 水稻叶表面图1.1 植物叶片表面的超疏水功能特性 (a) 蜡蝉翅表面 (b) 蝗虫翅表面 c) 胡蜂翅表面 (d) 虻翅表面图1.2 昆虫翅膀表面的超疏水功能特性1.3 超疏水表面的液滴浸润性与碰撞行为1.3.1超疏水表面的液滴浸润性1.3.1.1表面润湿性润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。它是固体表面一个重要的特征[30]。从宏观角度看，润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程；从微观上来说，润湿固体的流体，在置换原来的固体表面上的流体后，本身还与固体表面存在分子水平上的接触。水置换空气而在玻璃表面展开就是生

超疏水,功能特性,固体表面

(a) 蜡蝉翅表面 (b) 蝗虫翅表面 c) 胡蜂翅表面 (d) 虻翅表面图1.2 昆虫翅膀表面的超疏水功能特性1.3 超疏水表面的液滴浸润性与碰撞行为1.3.1超疏水表面的液滴浸润性1.3.1.1表面润湿性润湿性是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。它是固体表面一个重要的特征[30]。从宏观角度看，润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程；从微观上来说，润湿固体的流体，在置换原来的固体表面上的流体后，本身还与固体表面存在分子水平上的接触。水置换空气而在玻璃表面展开就是生

示意图,接触角,示意图

表面的疏水性越差。通常我们把水滴在固体表面的稳0°，滚动角小于 10°的表面称为超疏水表面[26,30,32,34]。触角 -液-气三相接触点处引液-气界面的切线，该切线与固-液界面切线之间的夹角称为接触角，简称 CA，一般用 θ 表示(图 1.3)和 γlg分别表示固/气、固/液、液/气界面的界面张力[35,36]。从力-液-气三相接触中各表面张力平衡时的状态决定了接触角的大衡原理，任何系统的总能量总是向最小态迁移的，所以材料表总是处在稳态或亚稳态[37,38]。接触角是衡量液体对固体材料的数。接触角的值越大，则液体越难浸润这种材料；反之，该材就越好。以水为接触液体，当水滴与亲水固体表面接触时，则 C体表面接触时，CA>90°。特别地，超疏水表面的接触角为 C表面上基本呈现球状，使得其很难浸入表面[39]。

【参考文献】